JP3828622B2 - 金属−セラミックス複合材料の製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属に強化材を複合させた複合材料の製造方法に関し、特に強化材にセラミックスを用いる金属−セラミックス複合材料の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
セラミックス繊維または粒子で強化された金属−セラミックスの複合材料は、金属とセラミックスの両方の特性を兼ね備えており、例えばこの複合材料は、高剛性、低熱膨張性、耐摩耗性等のセラミックスの優れた特性と、延性、塑性変形特性（高靱性）、高熱伝導性等の金属の優れた特性を備えている。このように、従来から難しいとされていたセラミックスと金属の両方の特性を備えているため、機械装置メーカ等の業界から次世代の材料として注目されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この複合材料は、脆性材料であるセラミックス側の特性に左右され、セラミックス単体と比べて思ったほどの特性の向上がみられず、特にセラミックスの含有率が６０ｖｏｌ％以上と高くなると、その向上はみられなく、高剛性、高強度、高靱性の材料が要求される高速駆動機械等に用いるには問題があった。そのため、さらに強度、靱性に優れた金属-セラミックス複合材料が望まれていた。
【０００４】
本発明は、上述した金属−セラミックス複合材料及びその製造方法が有する課題に鑑みなされたものであって、その目的は、従来より強度、靱性に優れた金属−セラミックス複合材料の製造方法を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、上記目的を達成するため鋭意研究した結果、強化材であるセラミックス粉末に媒体のないポットミルで１６時間以上混合した粉末を用いれば、その粉末で作製された金属−セラミックス複合材料の強度、靱性が、従来より高強度、高靱性になるとの知見を得て本発明を完成するに至った。
【０００６】
即ち本発明は、
金属のマトリックス中に強化材であるセラミックス粉末を分散させる金属−セラミックス複合材料の製造方法において、該セラミックス粉末が、媒体のないポットミルで水とバインダーを加え１６時間以上混合した粉末であることを特徴とする金属−セラミックス複合材料の製造方法とすることを要旨とする。
以下さらに詳細に説明する。
【０００７】
上記のように複合材料中に分散させるセラミックス粉末としては、媒体のないポットミルで水とバインダーを加え１６時間以上混合した粉末とした。セラミックス粉末として前記した粉末としたのは、この粉末で作製した複合材料の強度、破壊靱性等の特性が従来より向上することによる。特性が向上する原因はよく分からないが、混合で粉末同士がぶつかり合い角が取れて球状化し、その球状化したために破壊時に生じる亀裂が偏向し、粒内破壊が抑制され、特性が向上するものと思われる。混合に媒体を用いると角が取れるような混合とならないため好ましくなく、混合時間が１６時間より短いと同様に好ましくない。なお、球状粒子とされているものを手にいれ、全量、あるいは一部使用しても同様の効果を有する。
【０００８】
上記セラミックス粉末の種類としては、炭化珪素、窒化珪素、窒化アルミニウム、ホウ化チタン等の非酸化物、酸化アルミニウム、酸化珪素等の酸化物のいずれも使用することができ、限定されるものではないが、この中で炭化珪素、酸化アルミニウムが特性やコスト面で優れていて好ましい。
【０００９】
上記金属の種類も限定されるものではないが、安価で剛性が高く、かつ比重が低いので、比剛性の高いアルミニウム合金が好ましく、その中でＡｌ−Ｍｇ系のアルミニウム合金がセラミックス粉末に濡れ性がよくより好ましい。また、セラミックス粉末と金属との反応により、Ａｌ₄Ｃ₃が生成する場合には、さらにＳｉの入ったＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系の合金が適しており、その含有量は８〜２０％が好ましく、１５％程度が特に好ましい。
【００１０】
上記セラミックス粉末をマトリックス中に分散させる方法としては、セラミックスの含有率により大きく２つに分けることができ、セラミックスの含有率が低い場合（１０〜４０ｖｏｌ％程度）には、溶融金属中にセラミックス粉末を混入した後、砂型鋳造、ダイキャスト、スクイズキャスト等で鋳造して分散させる方法、セラミックス粉末の含有率が高い場合（４０〜８０ｖｏｌ％）には、セラミックス粉末であらかじめプリフォームを形成し、そのプリフォームに加圧または非加圧で金属を浸透させて分散させる方法が採られている。そして特に問題となり望まれているのは、セラミックスの含有率が６０ｖｏｌ％以上であるので、浸透で対応するのが好ましく、その中で非加圧浸透法の方が種々の形状の複合材料が作製できる点でより好ましい。
【００１１】
上記プリフォームの形成方法としては、セラミックス粉末を加圧する乾式加圧成形法で成形体を作製し、その成形体を焼成して形成する方法と、セラミックス粉末に水及びバインダーを添加し、それを鋳込むセディメントキャスト法で成形体を作製し、その成形体を焼成して形成する方法などがあるが、このセディメントキャスト法で成形体を作製する方が乾燥時にできる水分の通り道がそのまま浸透させる合金の通り道となるため閉気孔の生成がなく、支障なく金属を含浸できる点で優れている。用いるバインダー（保型材）としては、コロイダルアルミナ、コロイダルシリカ等が使用できる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明の製造方法をさらに詳しく述べる。強化材としてはＳｉＣ等の粉末を用いる。ＳｉＣ等のセラミックス粉末は単一の粒径のものでもよいが、２種類以上の平均粒径を有する粉末を混合した方が充填率が高くなりプリフォームの強度が増加するので望ましい。
【００１３】
前記したＳｉＣ等の粉末に対し、イオン交換水１０〜５０ｗｔ％程度、コロイダルアルミナ等のバインダーを０．１〜３０ｗｔ％程度、その他に必要があれば消泡剤などを加える。バインダーの量は、少ないと作製したプリフォームの強度が小さく複合化する際に支障が生じ、多すぎると閉気孔が生じて複合化できない。
【００１４】
得られた配合物を媒体のないポットミルで１６時間以上混合する。混合時間は長くても１００時間程度以下でよい。混合したスラリーは、振動を印加しながら鋳込成形する。スラリーの粘度は、粘性が高いと粉末が沈降しないため、１００ポイズ以下が望ましい。鋳型は通常はシリコーンゴム型を使用するが、プラスチック、アルミニウム等の型であってもよく、特に限定はない。鋳込んだ後粒子が沈降する間はなるべく振動を加え充填をよくする。得られた成形体は冷凍して脱型する。冷凍は水が凍ればよく温度に限定はない。脱型した成形体を８００〜１６００℃の温度で焼成してプリフォームを形成する。
【００１５】
得られたプリフォームに窒素気流中で非加圧で７００〜１０００℃の温度でＡｌ−Ｍｇ系またはＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系のアルミニウム合金を含浸させた後冷却して複合材料を作製する。
【００１６】
以上の方法で金属−セラミックス複合材料を作製すれば、従来より高強度、高靱性に優れた金属−セラミックス複合材料を得ることができる。
【００１７】
【実施例】
以下、本発明の実施例を比較例と共に具体的に挙げ、本発明をより詳細に説明する。
【００１８】
（実施例１〜９）
（１）プリフォームの形成
強化材として平均粒径が異なる表１に示す市販の研磨用ＳｉＣ粉末を表１の割合で配合し、その粉末に対し、コロイダルアルミナを１０ｗｔ％、イオン交換水を２４ｗｔ％、消泡剤を０．２ｗｔ％加え、媒体を入れてないポットミルで表１に示す時間混合した。得られたスラリーを２５×２５×１８０ｍｍの型でセディメントキャストを行ない、−３０℃に冷却して冷凍品を得た。得られた冷凍品を１０５０℃で焼成しプリフォームを形成した。
【００１９】
（２）金属−セラミックス複合材料の作製
得られたプリフォームの上に表１のアルミニウム合金を載置し、窒素雰囲気中で８２５℃の温度で合金をプリフォームに非加圧浸透させ金属−セラミックス複合材料を作製した。
【００２０】
（３）評価
得られたプリフォームの嵩密度をアルキメデス法で測定し、セラミックス粉末の含有率を求めた。また、複合材料よりＪＩＳ曲げ試験片（ＪＩＳ Ｒ１６０１）を作製し、その試験片で常温３点曲げ試験により曲げ強度を、ＣＮ法により破壊靱性値を測定した。それらの結果を表１に示す。
【００２１】
（実施例１０）
強化材として平均粒径が表１の球状のＳｉＣ粉末を表１の割合で一部用いたことと、混合時間を表１に示す時間としたことの他は、実施例１と同様にプリフォームを形成し、複合材料を作製し、評価した。それらの結果も表１に示す。
【００２２】
（比較例１〜７）
比較例として比較例１では、混合時間を５時間にした他は実施例１と同様に、比較例２〜７も、混合時間を５時間にした他は実施例４〜９と同様にプリフォームを形成し、複合材料を作製し、評価した。それらの結果も表１に示す。
【００２３】
表１から明らかなように、実施例１〜３においては、混合時間が本発明の範囲内の１６時間以上であるので、比較例１よりいずれも曲げ強度、破壊靱性値ともかなり向上していた。また、実施例４〜６においては、ＳｉＣ粉末の配合割合を変えても、混合時間を１６時間としたため、混合時間が５時間である比較例２〜４に比べていずれもかなり向上していた。さらに、ＳｉＣ粉末の平均粒径を変えた実施例７〜９においても、比較例５〜７に比べかなり向上していた。なお、実施例１０は、実施例１〜３の混合時間を長くする代わりに球状粉末を一部配合したものであるが、これも実施例１〜３とほぼ同じ曲げ強度と破壊靱性値が得られている。
【００２４】
【発明の効果】
以上の通り、本発明の方法で金属−セラミックス複合材料を作製することにより、セラミックスの含有率が６０ｖｏｌ％以上であっても、従来より高強度、高靱性の金属−セラミックス複合材料を得ることができるようになった。
【表１】

Claims (1)

1. 金属のマトリックス中に強化材であるセラミックス粉末を分散させる金属−セラミックス複合材料の製造方法において、該セラミックス粉末が、媒体のないポットミルで水とバインダーを加え１６時間以上混合した粉末であることを特徴とする金属−セラミックス複合材料の製造方法。